JP7439852B2 - 振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の振動素子は、音叉型をなしており、基部と、基部から延出する一対の振動腕とを有している。また、各振動腕には、その上面および下面に開放する一対の溝が形成されている。そのため、各振動腕は、略H型の横断面形状をなしている。振動腕をこのような形状とすることにより、熱弾性損失を低減することができ、優れた振動特性を発揮することができる。しかしながら、従来では、溝周辺の振動腕の形状(大きさを含む)については十分に研究がされていなかった。
[適用例1]
本発明の振動素子は、第1の端部、及び平面視で前記第1の端部と反対側の第2の端部を含む基部と、
前記基部と一体的に設けられ、前記基部の前記第1の端部側において、前記基部から第1の方向に沿って延出し、前記第1の方向と直交する第2の方向に沿って並んでいる一対の振動腕と、を含み、
各前記振動腕は、
腕部と、
前記腕部の前記基部側とは反対側に位置し、前記腕部よりも前記第2の方向に沿った長さが大きい広幅部と、を含み、
各前記振動腕は、
表裏の関係にある一対の主面と、
各前記主面に設けられている有底の溝と、を含み、
各前記腕部の前記主面において、前記第2の方向に沿って前記溝を挟んで並んでいる各部位の幅が6μm以下であることを特徴とする。
これにより、振動素子のQ値を比較的高く維持しつつ、等価直列抵抗R1(CI値)を十分に低くすることができる。結果として、優れた振動特性を低消費電力で発揮することのできる振動素子を得ることができる。
本発明の振動素子では、前記幅が1μm以上3μm以下であることが好ましい。
これにより、振動素子のR1(CI値)をより小さくすることができ、より低消費電力で振動素子を駆動することができる。
[適用例3]
本発明の振動素子では、前記溝の最大深さをt[μm]、
前記振動腕の厚さをT[μm]としたとき、
2t/Tで表されるηが0.6以上であることが好ましい。
これにより、駆動用電極の形成面積を大きくすることができるため、振動素子のR1(CI値)をより小さくすることができ、より低消費電力で振動素子を得ることができる。
[適用例4]
本発明の振動素子では、前記振動腕の厚さが50μm以上であることが好ましい。
これにより、振動素子のR1をより小さくすることができる。
本発明の振動素子では、前記基部を支持している支持部を含むことが好ましい。
これにより、振動素子の振動漏れをより効果的に低減することができる。
[適用例6]
本発明の振動素子では、前記支持部は、前記一対の振動腕の間において、前記基部から前記第1の方向に沿って延出している支持腕を含むことが好ましい。
これにより、振動素子の振動漏れをより効果的に低減することができる。
本発明の振動素子では、前記支持部は、前記基部の前記第2の端部側において、前記基部から延出している支持腕を含むことが好ましい。
これにより、振動素子の振動漏れをより効果的に低減することができる。また、振動腕同士の間に支持腕を設ける必要がないので、振動素子の第2の方向に沿った長さ(幅)を小さくすることができる。
本発明の振動素子では、前記支持部は、少なくとも前記基部、前記振動腕および前記支持腕を取り囲み、前記支持腕と連結している枠体を含むことが好ましい。
これにより、振動素子を枠体を介して、例えば、パッケージのベースに精度良く固定することができる。そのため、振動素子のサイズを大きくすることができ、結果として、そのR1をより小さくすることができる。
本発明の振動素子では、前記支持部は、少なくとも前記基部および前記振動腕を取り囲んでいる枠体を含むことが好ましい。
これにより、振動素子を枠体を介して、例えば、パッケージのベースに精度良く固定することができる。そのため、振動素子のサイズを大きくすることができ、結果として、そのR1をより小さくすることができる。
本発明の振動素子では、前記基部は、前記第1の端部側および前記第2の端部側の少なくとも一方に、前記第2の方向に沿った長さが、前記一対の振動腕の間の中心線に沿って、前記基部の中央から離れるに従って連続的または段階的に小さくなっている縮幅部を含むことが好ましい。
基部が縮幅部を有することにより、振動素子の振動漏れを効果的に抑制することができる。
本発明の振動子は、本発明の振動素子と、
前記振動素子が搭載されているパッケージと、を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い振動子が得られる。
本発明の発振器は、本発明の振動素子と、
発振回路と、を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い発振器が得られる。
本発明の電子機器は、本発明の振動素子を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
[適用例14]
本発明の移動体は、本発明の振動素子を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。
まず、本発明の振動素子を適用した振動子(本発明の振動子)について説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態にかかる振動子の平面図、図2は、図1中のA-A線断面図、図3は、振動漏れ低減の原理を説明する平面図、図4は、図1中のB-B線断面図、図5は、屈曲振動時の熱伝導について説明する振動腕の断面図、図6は、Q値とf/fmの関係を示すグラフ、図7は、ウェットエッチングにより形成された振動腕を示す断面図、図8は、W3とQ値との関係を示すグラフ、図9は、W3と1/R1との関係を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図1に示すように、互いに直交する3軸をX軸(水晶の電気軸)、Y軸(水晶の機械軸)およびZ軸(水晶の光学軸)とする。
図1および図2に示す振動子1は、振動素子2(本発明の振動素子)と、振動素子2を収納するパッケージ9とを有している。以下、振動素子2およびパッケージ9について、順次詳細に説明する。
(振動素子2)
図1、図2および図4に示すように、振動素子2は、水晶基板3と、水晶基板3上に形成された第1、第2駆動用電極84、85とを有している。なお、図1および図2では、説明の便宜上、第1、第2駆動用電極84、85の図示を省略している。
水晶基板3は、Zカット水晶板で構成されている。これにより、振動素子2は、優れた振動特性を発揮することができる。Zカット水晶板とは、Z軸を厚さ方向とする水晶基板である。なお、Z軸は、水晶基板3の厚さ方向と一致しているのが好ましいが、常温近傍における周波数温度変化を小さくする観点から、厚さ方向に対して若干傾けてもよい。
基部4は、XY平面に広がりを有し、Z軸方向に厚さを有する板状をなしている。基部4は、振動腕5、6を支持・連結する部分(本体部41)と、振動漏れを低減する縮幅部42とを有している。
まず、図3(a)に示すように、縮幅部42が設けられていない場合について説明する。振動腕5、6が互いに離間するように屈曲変形した場合、振動腕5が接続されている付近の本体部41では、矢印で示したように時計回りの回転運動に近い変位が発生し、振動腕6が接続されている付近の本体部41では、矢印で示したように反時計回りの回転運動に近い変位が発生する(ただし、厳密には回転運動ということができるような運動ではないため、便宜的に「回転運動に近い」とする)。
また、ハンマーヘッド59のX軸方向中心を振動腕5のX軸方向中心から多少ずらしておくとよい。こうすることによって、屈曲振動時に振動腕5が捩れることによって生じてしまう基部4のZ軸方向の振動を低減することができるので、振動漏れを抑制することができる。
また、ハンマーヘッド69のX軸方向中心を振動腕6のX軸方向中心から多少ずらしておくとよい。こうすることによって、屈曲振動時に振動腕6が捩れることによって生じてしまう基部4のZ軸方向の振動を低減することができるので、振動漏れを抑制することができる。
これらの第1、第2駆動用電極84、85の間に交番電圧を印加すると、振動腕5、6が互いに接近、離間を繰り返すように面内方向(XY平面方向)に所定の周波数で振動する。
振動腕5は、前述したように、第1、第2駆動用電極84、85間に交番電圧を印加することにより面内方向に屈曲振動する。図5に示すように、この屈曲振動の際、腕部51の側面513が収縮すると側面514が伸張し、反対に、側面513が伸張すると側面514が収縮する。振動腕5がGough-Joule効果を発生しない(エネルギー弾性がエントロピー弾性に対して支配的な)場合、側面513、514のうち、収縮する面側の温度は上昇し、伸張する面側の温度は下降するため、側面513と側面514との間、つまり腕部51の内部に温度差が発生する。このような温度差から生じる熱伝導によって振動エネルギーの損失が発生し、これにより振動素子2のQ値が低下する。このようなQ値の低下に伴うエネルギーの損失を熱弾性損失と言う。
fm0=πk/(2ρCpa2)‥‥(1)
なお、πは円周率、kは振動腕5の振動方向の熱伝導率、ρは振動腕5の質量密度、Cpは振動腕5の熱容量、aは振動腕5の振動方向の幅(実効幅)である。式(1)の熱伝導率k、質量密度ρ、熱容量Cpに振動腕5の材料そのもの(すなわち水晶)の定数を入力した場合、求まる熱緩和周波数fm0は、振動腕5に溝52、53を設けていない場合の値となる。
なお、図6において、f/fm<1の領域を等温的領域とも言い、この等温的領域ではf/fmが小さくなるにつれてQ値が高くなる。これは、振動腕の機械的周波数が低くなる(振動腕の振動が遅くなる)につれて前述のような振動腕内の温度差が生じ難くなるためである。したがって、f/fmを0(零)に限りなく近づけた際の極限では、等温準静操作となって、熱弾性損失は限りなく0(零)に接近する。一方、f/fm>1の領域を断熱的領域とも言い、この断熱的領域ではf/fmが大きくなるにつれてQ値が高くなる。これは、振動腕の機械的周波数が高くなるにつれて、各側面の温度上昇・温度効果の切り替わりが高速となり、前述のような熱伝導が生じる時間がなくなるためである。したがって、f/fmを限りなく大きくした際の極限では、断熱操作となって、熱弾性損失は限りなく0(零)に接近する。このことから、f/fm>1の関係を満たすとは、f/fmが断熱的領域にあるとも言い換えることができる。
図1に示すように、振動腕5の全長(Y軸方向の長さ)をL[μm]とし、ハンマーヘッド59の長さ(Y軸方向の長さ)をH[μm]としたとき、振動腕5は、0.012<H/L<0.3なる関係を満足しているのが好ましく、0.046<H/L<0.223なる関係を満足しているのがより好ましい。このような関係を満足することによって、振動素子2のCI値が低く抑えられるため、振動損失が少なく、優れた振動特性を有する振動素子2となる。
なお、Lを2mm以下、好ましくは1mm以下とすることで、携帯型音楽機器やICカードのようなものに搭載する発振器に使用する、小型な振動素子2を得ることができる。また、W1を100μm以下、好ましくは50μm以下とすることで、上記Lの範囲においても、低消費電力を実現する発振回路に使用する、低周波で共振する振動素子2を得ることができる。
なお、発明者らによって、全長L、厚さT、幅W1、幅W2、長さHを変更しても、下記に示すシミュレーション結果と同様の傾向となることが確認されている。また、本シミュレーションには、第1、第2駆動用電極84、85が形成されていない振動素子2を用いた。
Q={ρCp/(Cα2H)}×[{1+(f/fm0)2}/(f/fm0)]
‥‥(3)
ただし、式(3)中のρは振動腕5の質量密度、Cpは振動腕5の熱容量、Cは振動腕5の長さ方向の伸縮の弾性スティフネス定数、αは振動腕5の長さ方向の熱膨張率、Hは絶対温度、fは固有周波数である。なお、aは、振動腕5が平板構造(平板形状)であると見做したきの幅(実効幅)であるが、このaの値を用いてもF変換後Q値への換算を行うことができる。
図8に示すように、Q値は、溝52、53の深さにかかわらず、土手部511a、512aの幅W3が7μmである場合に最大値をとる。一方、R1は、図9に示すように、土手部511a、512aの幅W3が小さくなるほど小さくなる傾向にある。振動素子は、通常、Q値ができる限り大きくなるように、すなわち、土手部511a、512aの幅W3が7μm程度となるように設計される。しかしながら、これでは、振動素子2の消費電力を十分に低くすることができない。
パッケージ9は、上面に開放する凹部911を有する箱状のベース91と、凹部911の開口を塞ぐようにベース91に接合されている板状のリッド92とを有している。このようなパッケージ9は、凹部911がリッド92にて塞がれることにより形成された収納空間を有しており、この収納空間に振動素子2が気密的に収納されている。振動素子2は、支持腕71にて、例えば、エポキシ系、アクリル系の樹脂に導電性フィラーを混合した導電性接着剤11を介して凹部911の底面に固定されている。
なお、収納空間内は、減圧(好ましくは真空)状態となっていてもよいし、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。これにより、振動素子2の振動特性が向上する。
また、接続端子951は、ベース91を貫通する貫通電極952を介してベース91の底面に形成された外部端子953に電気的に接続されており、接続端子961は、ベース91を貫通する貫通電極962を介してベース91の底面に形成された外部端子963に電気的に接続されている。
次に、本発明の振動子の第2実施形態について説明する。
図10は、本発明の第2実施形態にかかる振動子が有する振動素子の平面図である。
以下、第2実施形態の振動子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第2実施形態の振動子は、振動素子の構成が異なる以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
次に、本発明の振動子の第3実施形態について説明する。
図11は、本発明の第3実施形態にかかる振動子の平面図、図12は、図11中のC-C線断面図である。
以下、第3実施形態の振動子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第3実施形態の振動子は、支持部の構成およびパッケージの構成が異なる以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
パッケージ9Bは、図12に示すように、上面に開放する凹部911Bを有する箱状のベース91Bと、下面に開放する凹部921Bを有する箱状のリッド92Bとを有し、ベース91Bの外周部およびリッド92Bの外周部に、枠体72が挟持および接合されることにより、振動素子2Bがパッケージ9Bに固定されている。また、ベース91Bの凹部911Bの底面に設けられた接続端子961(951)と、振動素子2Bとの所定に部位とが、例えば、金等で構成されるワイヤー12により接続されている。
このような第3実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。特に、第3実施形態によれば、振動素子2Bを枠体72を介してパッケージ9Bに固定するので、この固定を精度良く行うことができる。そのため、振動素子2Bのサイズを大きくすることができ、結果として、そのR1をより小さくすることができる。
次に、本発明の振動子の第4実施形態について説明する。
図13は、本発明の第4実施形態にかかる振動子が有する振動素子の平面図である。
以下、第4実施形態の振動子について、前述した第1~第3実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第4実施形態の振動子は、支持部の構成が異なる以外は、前述した第3実施形態と同様である。なお、前述した第3実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
このような第4実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。特に、第4実施形態によれば、振動素子2Cを枠体72を介してパッケージ9に固定するので、この固定を精度良く行うことができる。そのため、振動素子2Cのサイズを大きくすることができ、結果として、そのR1をより小さくすることができる。また、第4実施形態によれば、支持腕71Bを省略できるので、振動素子2CのX軸方向に沿った長さ(幅)を小さくすることができる。
なお、支持腕73を省略して、基部4Cを直接枠体72に連結してもよいし、枠体72を省略して、支持腕73にて、導電性接着剤11を用いて、振動素子2Cをパッケージ9に固定するようにしてもよい。
次に、本発明の振動素子を適用した発振器(本発明の発振器)について説明する。
図14は、本発明の発振器の好適な実施形態を示す断面図である。
図14に示す発振器10は、振動子1と、振動素子2を駆動するためのICチップ8とを有している。以下、発振器10について、前述した振動子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
また、第2凹部911bの底面には、ワイヤーを介してICチップ8と電気的に接続された複数の内部端子93が形成されている。これら複数の内部端子93には、ベース91に形成された図示しないビアを介してパッケージ9の底面に形成された外部端子94に電気的に接続された端子と、図示しないビアやワイヤーを介して接続端子95に電気的に接続された端子と、図示しないビアやワイヤーを介して接続端子96に電気的に接続された端子とが含まれている。
なお、図14の構成では、ICチップ8が収納空間内に配置されている構成について説明したが、ICチップ8の配置は、特に限定されず、例えば、パッケージ9の外側(ベース91の底面)に配置されていてもよい。
次に、本発明の振動素子を適用した電子機器(本発明の電子機器)について説明する。
図15は、本発明の振動素子を備える電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部2000を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、フィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動素子2(2A~2C)が内蔵されている。
次に、本発明の振動素子を適用した移動体(本発明の移動体)について説明する。
図18は、本発明の移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図である。自動車1500には、振動素子2が搭載されている。振動素子2(2A~2C)は、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム、等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)に広く適用できる。
Claims (8)
- 基部と、
前記基部の一方の端部側から第1の方向に沿って延出し、前記第1の方向と直交する第2の方向に沿って並んでいる一対の振動腕と、
を含み、
一対の前記振動腕の一方および他方は、それぞれ、
腕部と、
前記腕部の前記基部側とは反対側に位置し、前記腕部よりも前記第2の方向に沿った長さが大きい広幅部と、
前記第1の方向および前記第2の方向に沿っており、且つ、表裏の関係にある一対の主面と、
前記一対の主面を繋いでいる一対の側面と、
各前記主面に前記第1の方向に沿って設けられ、前記第1の方向における先端が前記腕部と前記広幅部との境界よりも前記基部側にあり、各前記主面に直交する厚さの方向に沿った深さを有している有底の溝部と、
を含み、
前記振動腕の前記第1の方向に沿った長さが、1000μm以下であり、
前記腕部の前記第2の方向に沿った長さが、12.8μm以上、100μm以下であり、
前記振動腕の厚さが、110μm以上、300μm以下であり、
前記溝部の最大深さをtとし、前記振動腕の厚さをTとしたとしたとき、
2t/T≧0.6 なる関係を満足し、
前記腕部の前記第2の方向に沿った長さをW1とし、前記広幅部の前記第2の方向に沿った長さをW2としたとき、
1.6≦W2/W1≦7.0 なる関係を満足し、
前記一対の側面の一方と連結しており、平面視で前記振動腕の前記主面において前記第2の方向に沿って前記溝部と並んでいる部分を第1土手部とし、
前記一対の側面の他方と連結しており、平面視で前記振動腕の前記主面において前記第2の方向に沿って前記溝部と並んでいる部分を第2土手部とし、
前記第1土手部および前記第2土手部の幅が、0.1μm以上、6μm以下であり、
前記溝部は、前記第1土手部から延びた第1内側面と、前記第2土手部から延びた第2内側面とで構成されており、
前記第1内側面および前記第2内側面は、前記厚さの方向に対して傾斜した部分を有し、
前記腕部の前記第2の方向に沿った断面において、前記溝部の深さは、前記主面から前記第1内側面と前記第2内側面との交点までの距離であることを特徴とする振動素子。 - 請求項1において、
前記基部の前記一方の端部とは反対側に配置された支持部を含むことを特徴とする振動素子。 - 請求項1または2において、
前記振動腕の前記第1の方向に沿った長さをLとし、前記広幅部の前記第1の方向に沿った長さをHとしたとき、
0.012<H/L<0.3
なる関係を満足することを特徴とする振動素子。 - 請求項1ないし3のいずれか1項において、
前記第1土手部および前記第2土手部の幅が、1μm以上、3μm以下であることを特徴とする振動素子。 - 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の振動素子と、
前記振動素子が収容されるパッケージと、
を含むことを特徴とする振動子。 - 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の振動素子と、
発振回路と、
を含むことを特徴とする発振器。 - 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の振動素子を含むことを特徴とする電子機器。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の振動素子を含むことを特徴とする移動体。
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